场站电源与动力容量的合理匹配及其经济运行

洪建兴（长庆油田公司水电厂，甘肃 庆阳 745100）

场站电源与动力容量的合理匹配及其经济运行

洪建兴（长庆油田公司水电厂，甘肃 庆阳 745100）

场站电源容量与动力系统的合理匹配是确保经济平稳运行的关键，本文通过测算场站动力总负荷，在电压波动情况下确保电动机起动转矩不致显著降低，以此测算变压器电压调节率，并在此基础上对电动机起动时的容量和最大起动电流进行校核。通过计算认为场站电源容量（kVA)数应不低于最大电动机容量（kW）数的3倍。且其（kVA)数应以场站动力总负荷（kW）数的1.4倍为宜。

场站电源容量核定

在油田区域存在着很多诸如油井场、联合站、供水站等生产单元，这些生产单位都是低压配电线路供电，且多为独立电源，分布点多面广，几乎占油区生产的90%以上，其中配电变压器和动力系统容量的合理匹配是确保经济平稳运行的关键。

变压器容量选取过大，设备投资费用将明显增加，同时运行后长期损耗付出的电费也相当可观，且占用上级变电所主变容量；选取过小，供电可靠性将变差，尤其在负荷较重电压波动较大的情况下将引起电动机无法起动的现象。所以在确保平稳可靠运行的情况下做到变压器容量的选择能够经济合理、节约资源。

1 场站电源总容量的核定

油区的场站一般设计有多台电动机，如油井场、供水站等一般有2～8台电动机，这些生产单元最常用的为Y系列异步电动机。日常工作中这些电动机不一定同时运行、而电动机运行时也不一定满负荷，所以在核算变压器容量时，应先对负荷情况进行分析。

不同场站由于其使用性质不同，电动机运行时其功率占比是不同的，如一些注水、供水站等，电动机运行时功率使用率较高，可达到80%～90%甚至满负荷；而油井场所使用的电动机为满足大扭矩起动要求，电动机容量选取较大，起动后负荷率只能达到40%～60%。所以，笔者认为单台电动机的运行功率可按下式核算：

式中P0为电动机名牌功率，K1为负荷系数，可根据电机负荷情况实际选取;K2为使用系数，可按每天运转小时数测算（K2=n∕24,n为日运转小时数）。另外，核定负荷时，需考虑电动机工作时的同时系数，如站场某两台或多台电动机需同时工作，可将其容量合并，使用系数按1测算。

上式测算的是机械输出功率，考虑到损耗，电动机的机械效率取均值0.89，功率因数取均值0.88，并预留百分之十的余量，笔者认为，变压器的容量(kVA)数可按1.4倍负荷功率（kW)数选取较为合理，即：

电源容量初步核定后还需对起动能力进行校核。

2 单台电动机起动校核：

根据经验公式并查阅相关技术参数知，对于Y系列异步电动机，在起动瞬间，其起动电流约为其额定电流的4～7倍，取最大值7倍进行起动电流校核。电动机堵转转矩∕额定转矩≈1.8～2，暂取低起动扭矩1.8倍计算，考虑到日常生产中经常出现的满载和部分超载起动，起动转矩必须大于或等于1.2倍额定转矩方能起动，即起动时其实际起动转矩下降至理论起动转矩的0.667倍（1.2÷1.8）及一下时，电动机将无法起动。

经查阅相关资料，电动机在其他参数不变的情况下，其起动转矩与电压的平方成正比，对0.667开方得0.817也就是说，当电压下降到额定电压的81.7%时电动机将出现无法起动的现象。即变压器的电压调节率不应超过18.3%。

以油田场站常用的S11-500kVA配电变压器为例，其各参数为：额定容量500kVA；额定电压10kV∕0.4kV；接线组别为Yyn0；试验数据为：空载损耗0.88KW；负载损耗7.2KW；空载电流1.04%；短路阻抗5.6%。

经计算该变压器的阻抗值为：ZN=200,Rk=2.878,Xk=10.81，以此算得经查阅相关资料变压器的电压调节率为：

考虑到电机起动瞬间主要为感性电流，其功率因数cosφ2= 0.35左右，并锁定电压调节率不大于18.3%，将以上测算数据代入（4）式，得负载系数ββ=3.27，所以，在电机起动瞬间，当变压器达到额定电流的3.27倍时，其端电压将下降至额定值的81.7%，将出现电机无法启动的现象。上面核算数据不包含变压器低压侧接线柱至电动机之间电缆阻抗形成的压降，对一些容量较大、起动电流大，而电缆又长的场所，其引起的阻抗压降更是不可忽视。

对于500kVA变压器，其低压侧额定电流为721.7A，负载系数为3.27倍时，其电流为2365A，也就是说为确保电动机能够正常起动，该变压器能容纳的最大瞬间起动电流为2365A。按7倍计算，该起动电流对应电动机的额定电流为337A,其功率约为173kW，功率（kW)相对变压器容量（kVA)的占比为34%。所以对于场站动力与电源容量在核算时，其最大电动机功率（kW)数不得超过变压器容量（kVA)数的34%，或变压器容量（kVA)数不小于最大电动机功率（kW)数的3倍。按照舍零法靠拢标准得该变压器容许最大电动机配备功率为160Kw。

3 其他电动机起动校核

其他电机的起动校核是指接在同一电源下有正在运行的一台或多台电动机，再次起动其他电动机的校核，以及起动时引起的电压降落对已运行电动机的影响。

如上图所示，已运行最大电动机电流为I1=337A，功率因数cosα1=0.88,即将起动电机启动瞬间功率因数cosα2仍按0.35计算，并锁定总电流I不超过2365A，通过锁定总电流，确保在起动瞬间，变压器的电压调节率不超过18.3%，电动机形成的起动转矩在1.2倍及以上，同时正在运行电动机不致因电压突降而存在停机的风险。利用三角函数计算得起动电流I2=2085A,其对应电机的额定电流为297A,功率约为152kW，即场站第二大电机容量（kW)数不能超过电源容量（kVA)数的30%，或着变压器容量（kVA)数不低于电动机容量（kW）数的3.3倍。对照标准并采取舍零法得电动机容量为132KW。

4 核算结果及场站电源的设计原则：

通过以上分析计算，在场站电源容量核算时，笔者认为变压器的选择其容量（kVA)数应不低于最大电动机容量（kW）数的3倍。且其（kVA)数应以场站用电总负荷（kW）数的1.4倍为宜，这样变压器的运行最为经济合理，且容量利用率最高。另外，考虑到低压电缆的阻抗和起动瞬间大电流情况下的降压作用，动力设备分布不能过于分散，配电变压器的供电半径不应太大，当达到或超过400～500米时，电缆阻抗引起的降压作用相当明显，宜另行设置独立变压器。

[1]王正茂、阎治安等，电机学[M]西安，西安交通大学出版社，2000.9.

洪建兴（1967-）男，汉，陕西西安人，机械工程师。